本發明屬于金屬高效高精切削加工
技術領域：
：，具體涉及一種考慮刃口效應的倒棱圓形車刀切削力精確預測方法。
背景技術：
：：對于金屬切削加工而言，切削力是后續研究切削熱、刀具磨損以及表面完整性的基礎，在切削加工中處于至關重要的地位。目前，在車削領域中，對于常規的菱形車刀和三角形車刀的研究以及圓形刀具刃口的研究已經比較成熟，但是圓形車刀由于其復雜的切削域形狀，研究還不多，尤其是對于倒棱刃口的刀具而言。圓形陶瓷車刀在高速切削工況下的應用越來越普遍，它具有高抗磨損的特性。倒棱刃口的刀具由于其強度在高速切削硬化材料的情況下也是普遍應用的。不只在車削中，在銑削的過程中，圓形倒棱刀的應用也很普遍。具體而言，圓形倒棱車刀由于其抗磨損、強度高的特點，在切削加工中應用廣泛，但是又由于形狀的復雜性，對于其切削力的預測還需要加強，以便于更好地服務于加工過程預測。目前，有學者已經提出了一些切削力預測的相關研究方法，例如李炳林(“analyticalpredictionofcuttingforcesinorthogonalcuttingusingunequaldivisionshear-zonemodel”，2011，54(5-8):431-443)在研究中提出了通過不等分剪切模型預測剪切區的應變、應力和溫度的分布，進而計算出主剪切面的剪切應力。abdelmoneimme(“tooledgeroundnessandstablebuild-upformationinfinishmachining”，1974，6(4):1258-1267.)提出了關于圓形刃口的刃口力系數分析模型，但是這并不適用于倒棱刃口，尤其是對于幾何關系較為復雜的圓形車刀，因而如今對于圓形車刀的切削力預測不夠全面，這直接降低了對圓形車刀車削過程的檢測，降低了對零件質量的可預測性。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是：提供一種考慮刃口效應的倒棱圓形車刀切削力精確預測方法。本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種考慮刃口效應的倒棱圓形車刀切削力精確預測方法，其特征在于：它包括以下步驟：s1、參數輸入：輸入車削加工切削參數、圓形車刀幾何參數和性能參數，包括刀具半徑r、前角αn、切削深度d、切削速度v、每齒進給f；s2、將切削刃離散化處理，把未變形切削區域劃分為兩個部分，分別計算每個切削區域中每個切削刃微元的未變形切屑厚度；s3、通過已有公式和文獻參數與圓形車刀的幾何形狀相結合，計算每個切削刃微元的剪切力系數；s4、設刃口力系數與剪切應力和倒棱長度成線性關系，利用試驗數據，推導針對圓形車刀的刃口力系數線性常數項的標定方程，計算刃口力系數；s5、計算每個切屑刃微元的切削力，并沿著切屑刃積分，得到整體的切削力。按上述方案，所述的s2中，通過切削域起始點的浸入角φst、切削域終止點的浸入角φex和切削域分區點的浸入角φmid將未變形切削區域劃分為兩個部分，得到第j個微元對應的未變形切屑厚度hj為：其中fc＝fcos(αn)，式中，；為第j個微元對應的浸入角；la為沿著進給方向，切入點到刀具中心的距離；fc為每齒進給量在前刀面的投影；；為切削刃微元與相鄰刀具中心位置的夾角；ap為切削深度；為法向前角，通過坐標變換計算得到。按上述方案，所述的s3剪切力系數由以下公式計算得到：式中，ktc、kfc、krc分別是切削速度方向、徑向、切向的切削力系數；為剪切應力，利用不等分剪切模型求得；為法向剪切角，為法向摩擦角，通過最小能量法則的方程迭代求得；全局切屑流方向通過假設微元之間的相互作用力之和為0求得；為每個切削刃微元對應的刃傾角，為法向前角，通過坐標變換計算得到；為第j個微元的切屑流角。按上述方案，所述的s4針對圓形車刀的刃口力系數線性常數項的標定方程如下：其中dj是切削刃微元的切削寬度；dφs為切削刃離散化時的角度微元；xt、xf、xr分別是切削速度方向、徑向、切向的刃口力系數中的線性常數項；是第j個切削刃微元的主偏角；c1-c6為中間參數；fx已知、fy已知、fz已知為試驗數據中已知的正交坐標系中x、y、z方向的整體切削力；得到刃口力系數為：式中，kte、kfe、kre分別為切削速度方向、徑向、切向的刃口力系數，l為倒棱刃口的長度。按上述方案，所述的s5先計算每個切屑刃微元受到的切削力：將力分量轉換到正交坐標系中：最后沿著切削刃積分，求得整體的切削力：式中，ftj、分別為作用在微元j上的切削速度方向、徑向、切向的切削力分量；為作用在微元j上的切削力在正交坐標系中的力分量；fq為作用于整個車刀上的切削力在正交坐標系中的力分量。按上述方案，所述的圓形車刀為陶瓷刀具。本發明的有益效果為：通過將圓形車刀離散為多個微元，分析每個微元的局部參數，考慮倒棱刃口的刃口力，預測每個切削刃微元的切削力并沿著切削刃積分得到整體的切削力，從而為圓形倒棱車刀的高效高精加工過程控制提供指導。附圖說明圖1為本發明一實施例的方法流程圖。圖2為本發明中切削加工工程示意圖。圖3為切削域在前刀面視角的劃分情況。圖4為切削刃微元在前刀面視角的劃分情況。圖5a和圖5b為三維圖形下切削刃微元局部角度參數的示意圖。圖6為有限元軟件advantedge驗證刃口力模型的結果圖。圖7a、b、c和圖8a、b、c為理論預測結果和實測結果的對比圖。圖中：1-工件，2-刀柄，3-前刀面，4-參考面，5-第一切削區域，6-第二切削區域，7-刀具。具體實施方式下面結合具體實例和附圖對本發明做進一步說明。本發明應用于圓形車刀對工件的切削加工，如圖2所示，1為工件，2為刀柄，3為前刀面，4為參考面，車削棒料時刀具沿工件1軸向進給。本發明提供一種考慮刃口效應的倒棱圓形車刀切削力精確預測方法，如圖1所示，它包括以下步驟：s1、參數輸入：輸入車削加工切削參數、圓形車刀幾何參數和性能參數，包括刀具半徑r、前角αn、切削深度d、切削速度v、每齒進給f；另外還可以包括工件的材料性能參數。s2、如圖3所示，相鄰兩個刀具7的位置錯開部分就是工件旋轉一圈被削去的材料，即切削域，將切削刃離散化處理，把未變形切削區域劃分為兩個部分，即第一切削區域5和第二切削區域6，點a為工件1和刀具7接觸的起始點，即切削域起始點。圖4描述了切削刃微元在前刀面視角的劃分情況，如圖中所示，切削刃微元對應的浸入角為表示的是劃分微元的角度增量。通過圖中的幾何關系可以計算出第j個切削刃微元對應的切寬和局部未變形切屑厚度。通過切削域起始點的浸入角φst、切削域終止點的浸入角φex和切削域分區點的浸入角φmid將未變形切削區域劃分為兩個部分，得到第j個微元對應的未變形切屑厚度hj為：其中fc＝fcos(αn)，式中，為第j個微元對應的浸入角；la為沿著進給方向，切入點到刀具中心的距離；fc為每齒進給量在前刀面的投影；為切削刃微元與相鄰刀具中心位置的夾角；ap為切削深度；為法向前角，通過坐標變換計算得到。s3、通過已有公式和文獻參數與圓形車刀的特殊幾何形狀相結合，計算每個切削刃微元的剪切力系數。剪切力系數由以下公式計算得到：式中，ktc、kfc、krc分別是切削速度方向、徑向、切向的切削力系數；為剪切應力，利用不等分剪切模型求得；為法向剪切角，為法向摩擦角，通過最小能量法則的方程迭代求得；全局切屑流方向通過假設微元之間的相互作用力之和為0求得；為每個切削刃微元對應的刃傾角，為法向前角，通過坐標變換計算得到；為第j個微元的切屑流角。s4、設刃口力系數與剪切應力和倒棱長度成線性關系，該關系通過有限元軟件advantedge進行了驗證；利用試驗數據，推導針對圓形車刀的刃口力系數線性常數項的標定方程，計算刃口力系數。圖5a和圖5b描述了三維圖形下切削刃微元局部角度參數的示意圖，其中pr為參考面，cpro為前刀面3在參考面內的投影。圖6為有限元軟件advantedge驗證刃口力模型的結果。如圖中所示，當以倒棱長度為唯一變量，其余參數不變時，通過已有的知識可知，當其余參數都不變時，切削力中的剪切力部分不改變，只有刃口力發生變化。由圖中的曲線可以看出，刃口力隨倒棱長度的變化近似線性變化，線性擬合的結果顯示，背抗力和進給力的r方分別是0.9958和0.9662，兩個擬合結果都超過了0.95，因此可以認為假設刃口力和倒棱長度成正比是合理的。因此可以給出刃口力系數的表達式：式中，kte、kfe、kre分別為刃口力系數，l為倒棱刃口的長度。結合圖5的推導公式，可以得出刃口力系數中常數項的標定方程如下：其中dj是切削刃微元的切削寬度；dφs為切削刃離散化時的角度微元；xt、xf、xr分別是切削速度方向、徑向、切向的刃口力系數中的線性常數項；是第j個切削刃微元的主偏角；c1-c6為中間參數；fx已知、fy已知、fz已知為試驗數據中已知的正交坐標系中x、y、z方向的整體切削力。s5、計算每個切屑刃微元的切削力，并沿著切屑刃積分，得到整體的切削力。先計算每個切屑刃微元受到的切削力：將力分量轉換到正交坐標系中：最后沿著切削刃積分，求得整體的切削力：式中，ftj、分別為作用在微元j上的切削速度方向、徑向、切向的切削力分量；為作用在微元j上的切削力在正交坐標系中的力分量；fq為作用于整個車刀上的切削力在正交坐標系中的力分量。優選的，所述的圓形車刀為陶瓷刀具，因其耐磨、耐高溫、不易粘連等特點，被越來越廣泛地用于切削加工領域，尤其是加工硬度較高的難加工材料。inconel718作為一種比較典型的難加工材料，是航空工業和核工業中應用十分廣泛的，其優點明顯，但是缺點在于難以加工，對刀具的損耗很大，難以獲得較好的零件表面完整性。將本發明方法用于加工材料為inconel718的工件，可以很好地預測難加工材料在加工過程中的切削力，可以準確解決高效高精加工中的切削力監控等技術難點，因此能夠對加工過程更好地控制以及對切削優化等方面產生良好的技術效果。下面結合具體的圓形陶瓷車刀切削加工實例來全面清楚地解釋說明本發明中的建模過程。在本實施例中采用的是直徑12.7mm圓形陶瓷刀片(具體型號是rngn120400)安裝車刀時，前刀面最低點為沿著工件軸向進給的最前端，即圖2中的b點，前角為-6°。工件的材料是inconel718，車床的型號是cak5085nzj，測力儀的型號是kistler9257b，采樣頻率是40khz，具體的切削力數值是通過計算采樣值中間某段區間的平均值獲得的。首先通過大量的實驗數據對本發明中給定的刃口力系數中的常數項進行標定，標定結果如表1所示：表1通過以上推導過程和給定的切削加工參數，采用matlab數值仿真可以預測得到不同切削加工參數下x、y、z三個方向的切削力數值。圖7a、圖7b和圖7c描述了切削速度150mm/min時，切深0.5mm，不同進給速度情況下，x、y、z三個方向的切削力的理論預測結果和實測結果的對比結果。圖8a、圖8b和圖8c描述了切削速度200mm/min，進給速度0.1mm/r，不同切深情況下，x、y、z三個方向的切削力的理論預測結果與實測結果的對比結果。從預測與實驗數據對比中可以發現，本發明中構造的考慮倒棱刃口的圓形車刀加工切削力預測模型能很好地符合切削實際，具有很高的準確性，與其他技術中提出的建模方法相比，更全面、系統地反應了圓形倒棱車刀的車削加工過程，同時可以滿足對車削加工切削力精確控制的需求。本領域的技術人員容易理解，以上所述為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。當前第1頁12當前第1頁12